高電圧バッテリパック用の新しい電池残量計ソリューション
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はじめに
リチウムイオン電池の採用の増加は、e-モビリティ、医療、およびロボット工学市場の成長を後押ししています。さらに、現在のアプリケーションからの要請は、拡張された範囲、より長い寿命、および優れた電力機能を備えたより大きなバッテリパックの採用を推進しています。
優れたパフォーマンスを保証するには、バッテリベースのアプリケーションでバッテリの内部状態を推定するという課題に対処することが不可欠です。このタスクは、電池残量計ICによって実行されます。電池残量計ICは、充電状態 (SoC) 、健全さ (SoH) 、電力制限など、バッテリに関する重要な情報を提供しながら、バッテリの内部状態を正確に推定します。ただし、このような複雑なアルゴリズムを開発するには、リチウムイオン電池の化学的理解、非線形状態推定手法と制御理論に関する専門知識、および多大なリソースと時間が必要です。
この記事では、高い推定精度を維持しながら、市場投入までの時間を大幅に短縮できる、高電圧バッテリパック用の新しい高度に適応性のある電池残量計ICを紹介します。この記事では、高度なアルゴリズム設計、シンプルなシステム統合、簡単な電池残量計構成、迅速な仮想検証の4つの主要分野に焦点を当てています。
高度な電池残量計アルゴリズムの設計
電池残量計ICは、電流、電圧、温度などの測定可能な量を使用して、バッテリの内部状態を推測します。クーロンカウントなどの電流ベースの推定方法は、バッテリに出入りする電荷を監視しますが、電圧ベースの推定方法は、電圧ルックアップテーブルに依存します。これらの方法を単独で使用すると、見積もりが不十分になる可能性があります。
別の方法は、電流のみの方法と電圧のみの方法を組み合わせたモデルベースの状態推定方法を使用することです。ただし、モデルベースの方法は、開回路電圧や拡散電圧など、セルの最も重要なダイナミクスを捕らえるセル数学モデルに依存しています。これらのダイナミクスは内部および環境要因の影響を強く受けるため、それらの抽出は、セルの動作範囲全体にわたる定義済みの特性テストに依存します。
例として、MPSのMPF4279xシリーズを見ていきます。これは、高度なモデルベースの状態推定方法を使用して、パックの充電状態、残りの充電時間、実行時間、健全さ、および電力制限などの、高精度のバッテリ情報を提供する新しい電池残量計ICファミリです。
表1に、MPF42790を使用したさまざまな動作条件下でのバッテリパックの充電状態のパフォーマンスの例を示します。表1のメトリックは、充電状態の二乗平均平方根誤差 (および最大充電状態誤差) に対応しています。
表1：MPF42790 給電状態のパフォーマンス
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テストケース |
15oC |
25oC |
35oC |
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0.5C給電 |
0.80% (1.79%) |
0.87% (1.78%) |
0.98% (1.60%) |
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1C給電 |
0.50% (1.22%) |
0.74% (1.72%) |
0.60% (1.31%) |
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0.5C放電 |
0.41% (0.88%) |
0.39% (1.12%) |
0.35% (1.39%) |
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1C放電 |
0.68% (1.38%) |
0.66% (1.26%) |
0.40% (1.05%) |
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2C放電 |
0.75% (1.99%) |
0.99% (1.61%) |
0.52% (1.71%) |
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電動自転車分析結果 |
1.02% (2.49%) |
1.25% (2.58%) |
0.80% (2.07%) |
図1は、MPF42790パックの充電状態推定パフォーマンスの例を示しており、0.64％の充電状態の二乗平均平方根誤差と1.46％の最大充電状態誤差を達成しています。このテストは、完全な1C定電流および定電圧充電で構成され、充電電流が0.1Cに低下すると終了し、その後、15°C (周囲温度) でマルチセルバッテリパックで1C定電流放電が行われます。
図1：完全な1C給電 / 放電サイクルに対するMPF42790のパフォーマンス
MPSの電池残量計アルゴリズムは、独自の特性評価シーケンス、独自の分析、および最適化ツールから生成された忠実度の高い電気セルモデルに依存しています。このシステムにより、ユーザーはこれらのモデルのいずれかを電池残量計ICに簡単にロードできます (図2を参照) 。
図2：セル数学的モデルの生成
シンプルな電池残量計ICシステムの統合
電池残量計ICは、正確なバッテリ状態の推定値をリアルタイムで提供する必要があります。電池残量計ICは定期的なセルパラメータ測定 (電圧、電流、温度など) に依存しているため、電池残量計ICの精度と信頼性は測定の精度と信頼性に制限されます。
たとえば、バッテリパック内のセルの分布は、不均一な熱放散による温度勾配につながります (図3を参照) 。したがって、電池残量計は、高精度のセルレベルの熱測定値を取得するために、複数の温度センサの読み取りを可能にする必要があります。そうしないと、セルモデルの精度に関係なく、状態推定の精度が低下する可能性があります。
この新しいアーキテクチャ・アプローチは、アナログフロントエンド (AFE) から高解像度の校正された測定データを受け取ります。このアーキテクチャは、市場に出回っているすべてのAFEと互換性があり、新規または既存の電子設計に簡単に統合できます (図3を参照) 。さらに、ユーザーは、セルスタックの内部電圧の前例のない可視性から恩恵を受けます。これにより、各セルの個々の動作と、バッテリパックのダイナミクスへの影響に関する重要な洞察が得られます。
図3：バッテリ管理システム (BMS) 電池残量計アーキテクチャ
バッテリセルのバランスが崩れたり、異なる温度で動作したりすると、各セルの化学的電気抵抗が発散し、バッテリの実行時間と範囲が短くなります。バッテリパックの使用可能な充電状態は、最も弱いセルによって制限されるため、個々のセルの電圧を監視することで、燃料計はパックの充電状態をより正確にリアルタイムで推定できます。
電池残量計ICは、スタック内のすべてのセル (または並列セルのグループ) の実際の状態を正確に推定しながら、バッテリの満杯状態と空状態を推定できます (つまり、パックの充電状態が100％または0％のそれぞれの場合) 。これらの電池残量計ソリューションは、バッテリパック電圧のアプリケーション固有の制限と、安全な動作電圧を義務付けるIEC62133などの業界標準の両方を反映する満杯ポイントと空のポイントを提供します。
簡便な電池残量計構成
電池残量計ICの動作は、リチウムイオン電池の数学モデルに依存します。バッテリシステムは本来複雑であるため、燃料計を最適化するには複数のパラメータを調整する必要があります。
セルモデルが提供されている場合でも、バッテリベースのシステムでは、パラメータの数が多いため、長い検証プロセスが必要です。検証プロセスが長くなると、テストスケジュールに深刻な妨げが生じ、コストと市場投入までの時間が長くなる可能性があります。この問題に対処するために、ユーザーが手動で電池残量計ICを微調整するためのグラフィックユーザーインターフェイス (GUI) を使用して、電池残量計を簡略化できます。
たとえば、MPSの電池残量計ICのGUIは、基本構成モードと詳細構成モードの2つの特定の構成モードを確立します。基本モードでは、ユーザーは電池残量計ICを操作可能にする主要なパラメータを構成でき (図4を参照) 、詳細モード (エキスパートとも呼ばれます) では、ユーザーは設計の追加設定を構成できます。さらに、MPSの電池残量計ICは、パックの充電状態の見積もりに大きな影響を与えるパラメータをリアルタイムで自己調整できます。
図4：MPSの電池残量計IC GUI
迅速な仮想検証
電池残量計ICの動作を検証するには、複数のテストを実行する必要があります。これらのテストは、最終的なアプリケーションでのバッテリの通常の使用方法、バッテリの経年劣化、および極端な温度や大電流などの特定の条件下でのバッテリの動作を模倣するように設計されています。
ただし、電池残量計ICの設定を変更した場合は、最適な性能を確保するために多くの検証テストを繰り返す必要があり、リソースと時間が必要になります。理想的には、1セットのテストで最適な電池残量計の構成を決定すると同時に、安全上のリスクと市場投入までの時間を短縮できます。
MPF42790には、この新しい機能が含まれています。これにより、さまざまな構成パラメータでのバッテリパックテストの迅速な再シミュレーションが可能になります (図5を参照) 。まず、テストデータが記録され、GUIを使用して一般的なファイル形式にエクスポートされます。次に、エクスポートされたテストデータがGUIに読み込まれ、更新された電池残量計IC設定を使用して再シミュレーションされます。
記録されたテストデータと電池残量計構成ファイルをMPSと簡単に共有して結果を複製および分析できるため、この機能により、より迅速でカスタマイズされたサポートも可能になります。
図5：仮想シミュレーションを含む電池残量計IC検証構成図 (破線)
結論
バッテリベースのソリューションがますます普及するにつれて、安全な操作とユーザーの満足を確保するためにいくつかの課題に取り組む必要があります。1つの課題は、積み重ねられたすべてのリチウム電池の内部状態を正確に推定する方法です。これらの電池は、電池の動作に関する重要な情報を提供するためです。
MPSのMPF42790などの電池残量計ICは、適応可能な設計、シンプルなGUI、および仮想テスト機能に加えて、最適なパフォーマンスを提供するはずです。これらの適応性の高いデバイスにより、設計者は以前に記録されたテストを再シミュレートでき、構成、テスト、および検証が大幅に高速化されます。
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